2,4 GHz, Funkmikrofone, Frequenzen, WLAN und trotzdem kein Empfang… Schwingungslehre für jedermann!

Wieder mal kein Empfang…

Wer kennt das nicht: „Dabei wurde mir versprochen, dass alles ganz einfach und stabil funktioniert“. Durch die Nutzung von Geräten mit Funk, die im Alltag immer weiter zunehmen, hat man immer wieder Probleme mit dem zuverlässigem Empfang der Geräte. Anhand des 2,4 GHz Bereichs, umgangssprachlich oft mit „WLAN Bereich“ bezeichnet, möchte ich Euch einige Grundlagen erläutern, wie und warum diese Probleme überhaupt entstehen. Der 2,4 GHz Bereich ist mittlerweile von vielen Standards und Produkten überflutet, immer mehr Hersteller setzen auf den 2,4 GHz Frequenzbereich und immer mehr Nutzer haben daher mit Funkproblemen zu kämpfen.

Auch bei Shure gibt es Produkte im 2,4 GHz Bereich. Warum das, wenn doch klar ist, dass es da Probleme geben kann?

Hierzu zunächst einmal etwas Info:

Was bedeutet „der 2,4 GHz Bereich“ eigentlich? Dass das irgendwas mit Funk zu tun haben muss, ist den meisten klar..

Grundkurs Schwingungen:

Hertz (Hz) ist die physikalische Einheit, um Schwingungen pro Zeiteinheit, auch Frequenz genannt, anzugeben. Ein Hertz (1 Hz) bedeutet eine Schwingung pro Sekunde. Das große „G“ steht für Giga; das wiederum kommt aus dem Griechischen und ist ein SI-Präfix, das für eine Milliarde, also 1.000.000.000, steht. Ganz einfach kann man sich das mit einem Kilogramm (1 kg) vorstellen. Ein Gramm ist ein Gewicht und das SI-Präfix „k“ steht für Kilo, also den Faktor 1.000, somit ist 1 kg = 1.000 g, 1 GHz = 1.000.000.000 Hz und eine Frequenz von 2,4 GHz sind dann 2.400.000.000 Hz.

Wenn man nun in Gedanken versucht, sich diese Anzahl vorzustellen, klappt das nicht so besonders gut, da man im täglichen Leben keine so großen Zahlen nutzt, man stellt nur fest, dass das sehr viel sein muss, was uns an dieser Stelle auch genügt. Und was sind jetzt eigentlich Schwingungen? Das kann man sich so vorstellen: Man wirft einen Stein in einen ruhigen See, also ohne Wellenbewegung, und siehe da: Jetzt hat der See Wellen. Diese Wellen sind nichts anderes als „schwingendes Wasser“ rund um den Eintrittspunkt des Steines herum. In einem 3D Model sieht das so aus:

Tropfen

In der Seitenansicht kann man sich das so vorstellen:

gedämpfteSchwingung_o_mic_sin

Ganz links im Diagramm wäre die Stelle, an welcher der Stein eintaucht und die Wellen breiten sich dann ringsherum, im Diagramm gezeigt, nach rechts weiter aus. Die Höhe der Wellen (Amplitude) kann man als Energie bzw. Leistung der Welle annehmen. Man kann im Diagramm sehen, dass die Leistung mit der Entfernung abnimmt. Das erklärt auch, warum die Reichweite eines Funksystems begrenzt ist. Als Gedankenstütze kann man hier auch die Lautstärke nehmen: Jeder weiß, direkt an der Schallquelle, also unmittelbar neben dem vorbeifahrenden Krankenwagen, ist es sehr laut; ist man einige Meter entfernt, ist das Martinshorn schon viel leiser. Ist irgendwann die Leistung der Welle zu klein, bricht der Empfang und damit auch das Audiosignal des Funkmikrofons oder die Internetverbindung beim Handy ab.

Die Frequenz, also die Schwingungen pro Sekunde, gibt an, wie oft sich eine Funkwelle wiederholt. Zur Anschauung nehmen wir noch einmal das Bild von oben. Hier ist ein Pfeil mit 1 Sekunde eingezeichnet. Wenn man nun zählt, wie viele Schwingungen man in einer Sekunde sieht, kommt man auf vier, die Schwingung oben hat demnach 4 Hz. Dies bedeutet wiederum, dass sich die Welle im See innerhalb einer Sekunde um vier Wellenlängen, also dem Abstand von Wellenberg zu Wellenberg, ausbreitet.

Zurück zu unserem 2,4 GHz Bereich, dieser definiert einen Frequenzbereich: nämlich 2,4 – 2,4835 GHz im Frequenzspektrum.

Und was genau ist jetzt Spektrum??

Mit dem Frequenzspektrum bezeichnet man den Frequenzbereich von 0 Hz bis unendlich Hz, also alle erdenklichen Frequenzen, die man sich so vorstellen kann. Der nutzbare Bereich dieses Spektrums ist nur durch die physikalischen Möglichkeiten seitens der technischen Umsetzung begrenzt. Man konnte beispielsweise schon sehr früh in niedrigen Frequenzen (Langwelle 30 kHz – 300 kHz) um die Welt funken. Mehr als ein stark beschnittenes Sprachsignal konnte man aber nicht so leicht übertragen. Mit den Jahren machte aber auch die technische Entwicklung vor der Funktechnik nicht Halt und so konnte man in den 40er Jahren schon im UKW Bereich (30 – 300 MHz) funken, in dem heute das typische Radio funktioniert. Wer sich daran erinnern kann: WLAN im 2,4 GHz Bereich gab es auch noch nicht immer.  Erst als es technisch einfach möglich war, Chips günstig zu produzieren, die diesen Funkstandard umsetzen, wurde diese Technologie im allgemeinen Gebrauch genutzt. Seit einigen Jahren wird WLAN auch im 5 GHz Bereich genutzt. Damit soll klar gemacht werden, dass durch den Fortschritt der Funktechnik immer mehr Spektrum genutzt werden kann, es ist aber begrenzt und nicht unendlich.

Die Staatsgewalt

Doch nicht nur die technische Seite begrenzt den Einsatz von Funktechnologien. Die Hoheit, darüber zu bestimmen, wer auf welchen Frequenzen nach welchem Standard funken darf, liegt bei der jeweiligen Regierung des Landes. In Deutschland reguliert das die Bundesnetzagentur (BNetzA, BNA) Sie legt in ihrem 600-seitigen Frequenzplan fest, welche Frequenzen und Frequenzbereiche für welche Zwecke genutzt werden dürfen, und veröffentlicht diesen bei einer Änderung in ihrem Amtsblatt. So sieht z. B. der Frequenznutzungsplan von WLAN aus:

FrequenzplanBNA_WLAN

Die Bundesnetzagentur stellt ihren Frequenzplan allerdings nicht mit purer Willkür zusammen. Es gibt Kongresse, z. B. die World Radiocommunication Conferences (WRC), bei denen sich die verantwortlichen Behörden von viele Regierungen zusammensetzen und versuchen, ihre Pläne zu vereinheitlichen. Dabei werden auch verschiedene „neue Technologien“ betrachtet und darüber beratschlagt, wie und wo man diese in den Frequenzplänen der einzelnen Staaten unter bekommt. So war es z. B. auch mit dem WLAN Standard, der 1997 unter der Nummer 802.11 von der IEEE, einem internationalen Berufsverband aus den Bereichen Elektrotechnik und Informationstechnik, veröffentlicht wurde. Im Anschluss daran wurde der Standard dann in die nationalen Frequenzpläne eingearbeitet. Zudem wurde in Deutschland eine Allgemeinzuteilung nach§ 55 Abs. 2 des Telekommunikationsgesetz (TKG) erlassen, sodass man für den Betrieb eines WLAN Gerätes keine Frequenzzulassungs-Urkunde benötigt. Von nun an konnte bzw. vielmehr durfte man in diesem Bereich verschiedenste Geräte betreiben. Per Allgemeinzuteilung ist der 2,4 GHz Bereich ein weltweit für WLAN und andere Systeme nutzbares Frequenzspektrum. Shure hat mit der GLX-D Serie ein digitales Funksystem am Markt, das von den Anwendern weltweit ohne besondere Zulassung eingesetzt werden kann.

Doch WLAN und drahtlose Mikrofone sind nicht die einzigen Systeme, die im 2,4 GHz Bereich unterwegs sind. Im aktuellen Frequenzplan (08.2005) der Bundesnetzagentur BNetzA gibt es in Deutschland 20 zugelassene Anwendungen, die im Frequenzbereich 2.400 – 2.483,5 MHz betrieben werden dürfen. Dadurch sind Probleme durch gegenseitige Störungen zwischen den zugelassenen Geräten quasi vorprogrammiert. Doch nicht nur die anderen Standards stören, vor allem WLAN selbst kann sich in erheblichem Maße selbst stören und dadurch starke Performance-Einbußen mit sich bringen. Um eventuellen Störungen von anderen Systemen auszuweichen, kann man auf eine andere Frequenz (Funkkanal) wechseln; GLX-D unterstützt dies mit dem automatischen Frequenzmanagement LINKFREQ. Wenn das 2,4 GHz Frequenzband jedoch voll belegt ist, bleibt nur ein anderes Frequenzband als Alternative.

Um die gegenseitige Beeinflussung zu verstehen, kommt jetzt wieder die Physik, speziell die Schwingungslehre, ins Spiel – die Stichwörter sind Interferenzen und Intermodulationen.

Interferenzen:

Kurz gesagt geht es hier um Plus- und Minusrechnung von Funkenergie.

Interferenzen

Ihr seht auf der Grafik oben in der oberen Hälfte Schwingungsverläufe von zwei Schwingungen, also Wellen. Wenn die Wellen in der gleichen Frequenz schwingen, dann sehen sie in der Darstellung identisch aus, sprich die Wellenberge und Täler zueinander weisen den gleichen Abstand auf. Was sich aber unterscheiden kann, ist die Phase. Man spricht davon, dass die Wellen „in Phase“ sind, wenn die Wellenberge beider Wellen genau übereinander liegen, und von „gegenphasigen“ Wellen, wenn die Wellenberge und die Wellentäler übereinander liegen. Alle anderen Zustände, dass sich die Wellen in anderen Zuständen überschneiden, gibt es natürlich auch.

Diese gezeigten Wellen oben sind nichts als Schwingungsenergie, die einmal größer (Wellenberg) ist und dann wieder kleiner (Wellentäler). Wenn die Wellen in der Luft nun übereinander treffen, dann überlagern sich diese Energien, d. h. man kann die beiden Energiewerte addieren.

Zurück zu unserem „Stein in Wasser“ Beispiel von oben: Wir nehmen nun einen zweiten Stein und werfen diesen neben den schon ins Wasser geworfenen Stein. Im 3D Modell kann man dies gut simulieren. Die nun entstandenen, überlagerten Wellen nennt man Interferenzmuster:

2Tropfen

Im nächsten Bild ist die 3D Simulation von der Seite betrachtet. Hier findet ihr eine Animation, um mit diesem Effekt anhand von Schallwellen zu experimentieren. Hier haben wir nun zwei Wellen die aufeinander zu laufen, die blaue von links und die grüne von rechts. Die Addition der Wellen ist in den beiden Schaubildern rot eingezeichnet. Die rote Linie stellt also die tatsächliche Realität dar, im Wasser die tatsächliche Wellenhöhe und in der Luft die Leistung des Funksignals.

Wenn die Wellen nun in Phase sind, dann addieren sich die Wellen-Täler und -Berge, sodass die resultierende, tatsächliche Energie doppel so stark ist.

Interferenzen_add

Genau anders herum ist es, wenn die Wellen gegenphasig verlaufen. Hier löschen sich die Wellen an bestimmten Punkten aus. Das passiert genau dann, wenn zwei Voraussetzungen an einem Ort gegeben sind:

  1.  Die Wellen treffen sich genau gegenphasig und
  2.  Die Wellen haben die gleiche Amplitude.

Interferenzen_subt

Damit lässt sich auch zeigen, dass das graue Bild mit den Wellen oben nur in der Theorie besteht, es also keine kompletten Ausfälle überall gibt, wenn eine solche Interferenz entsteht. Es gibt also vielmehr nur vereinzelte Orte, an denen sich die Funkenergie auslöscht und damit kein Empfang möglich ist.

Interferenzen entstehen zum einen, wenn man zwei Sender in einem Raum hat, wie im Beispiel mit dem Stein im Wasser, bei dem ich zwei „Wellensender“ im Wasser habe.

Interferenzen können aber auch entstehen, wenn eine Welle reflektiert wird, z. B. bei Funk an einer Betonwand. Dann treffen sich, genauso wie bei zwei Quellen, zwei Wellen (die originale- und die reflektierte Welle) und es gibt irgendwo im Raum verteilt kleine Bereiche, an denen es keinen Empfang gibt.

Abhilfe schafft hierbei die so genannte Diversity Technik. Mit einer zweiten Empfangsantenne, räumlich von der anderen getrennt, übernimmt die jeweils andere Antenne, falls die Signalstärke zu klein wird. Hier ist das Verhalten eines Diversity Empfängers bildlich dargestellt.

Zurück zum WLAN im Raum. Wenn ich nun zwei Sender habe, z. B. zwei Router, der aus der Nachbarwohnung und meinen eigenen, und beide senden auf dem gleichen Kanal, dann gibt es immer wieder Bereiche, an denen mein WLAN zusammenbricht und ich kein Netz mehr habe. An einer anderen Stelle der Wohnung funktioniert es dann unerklärlicherweise wieder einwandfrei.

Intermodulationen:

Nicht nur Interferenzen führen dazu, dass es Funkaussetzer gibt; die sogenannten Intermodulationen tragen auch ein Stück dazu bei, dass das Prinzip von „Plug’n’Play“ einfacher klingt als es ist. Wenn man zwei Sender nimmt, z. B. wieder zwei WLAN Router, und diese sehr nah zueinander stellt, stören die sich gegenseitig. Dazu eine schaubildliche Erklärung:Sender_Empfänger

Eine Funkverbindung besteht aus einem Sender, der das Signal generiert (links) und auf einen gewissen Pegel verstärkt (amp). Dieses Signal wird mit einer passenden Sendeantenne durch die Luft  über  elektromagnetische Wellen (Funk) gesendet und von der Empfangsantenne des Empfängers (rechts) eingefangen. Da das Antennensignal aufgrund der Dämpfung (Freifeld Dämpfung) durch die Luft sehr schwach ist, wird das Signal dann im Empfänger wieder verstärkt (amp).

Soweit zur Theorie, eine Sendeantenne ist gleichzeitig aber auch eine Empfangsantenne. Habe ich nun zwei Sender, dann strahlen diese jeweils in den anderen Sender hinein. Da der Sender aber als Sender ausgelegt ist und nicht als Empfänger, wird er durch das Signal gestört, wenn es zu stark hineinstrahlt. „Zu stark“ kann schon bedeuten, dass zwei Sender, die nicht dafür ausgelegt sind, nahe beieinander stehen. Diese Störung äußert sich dann als Intermodulationen.

2Sender

Intermodulationen sind Störsignale, die innerhalb von Verstärkern bzw. aktiven elektronischen Bauteilen erzeugt werden. Wenn ein Ausgangsverstärker am Ausgang ein starkes Signal angelegt bekommt, dann beginnt dieser, als nichtlineare Komponente, Oberschwingungen zu erzeugen. Diese Schwingungen werden, da es sich um einen Ausgangsverstärker handelt, verstärkt wieder ausgesendet und existieren dann als Störfrequenz.

Als Beispiel zwei Sender im UHF Bereich und deren gemessenes Sendespektrum darunter:

UR2+UR2=UR2

720+721=7XX

Speziell wurden hier zwei Shure UR2 Handsender Mikrofone genommen, einer wurde auf 720 MHz, der andere auf 721 MHz eingestellt. Wenn nun die beiden Handsender sehr nahe aneinander gehalten werden, so würde man behaupten, es würden trotzdem nur zwei Frequenzen ausgesendet werden. Eine Messung zeigt jedoch, dass nicht nur die Trägerfrequenzen der Mikrofone existieren, sondern auch zusätzliche Frequenzen – die oben beschriebenen Intermodulationen.

Auf den Frequenzen der Intermodulationen (in der Grafik oben blau hinterlegt) können nun keine weiteren Funkmikrofone betrieben werden, diese würden sich sonst stören, ein Konzert wäre damit nicht möglich da ständig irgendwelche Fiiiiepgeräusche und Aussetzer zu hören wären.

Frequenzmanagement:

Wenn man also bei einem Konzert oder Festival viele Funkmikrofone zusammen auf einer Bühne benutzen möchte, muss man darauf achten, dass alle Mikrofone auf unterschiedliche Frequenzen eingestellt sind und diese auch nicht auf Intermodulationsfrequenzen von anderen Funkmikrofonen liegen.

Die Anzahl der Intermodulationen steigt mit der Anzahl der Funkmikrofone fast quadratisch an, somit wird es bei einer großen Zahl schwierig, alle Funkmikrofone zum Laufen zu bekommen. Bei einem kleinen Funksetup, z. B. einer Cover Band, reichen normal 4 bis 8 Funkstrecken aus, diese bekommt man im verfügbaren Funkspektrum von 470 – 865 MHz problemlos unter und damit funktionsfähig in Betrieb.

Hier möchte ich auf das Gruppen/Kanal Management hinweisen. In jedem aktuellen Shure Funksystem ist eine Tabelle mit kompatiblen Frequenzen hinterlegt. So kann sehr einfach ein Frequenz Setup vorgenommen werden, ohne etwas zu rechnen oder sich mit einer Software zu behelfen. Wie Ihr das genau an den jeweiligen Sendesystemen einstellt, findet Ihr in der Bedienungsanweisung.

Wichtig: Alle Frequenzen innerhalb einer Gruppe sind kompatibel.

Es gibt aber Veranstaltungen, bei denen mehr Funksysteme benötigt werden. Als Beispiel sei hier die letzte Udo Lindenberg Tour 2015 genannt, bei der insgesamt knapp 100 Funkfrequenzen gleichzeitig auf einer 60 x 20 Meter Bühne in Betrieb waren. Beim Anblick des Spektrums im Stadion unten kann man deutlich sehen, dass das verfügbare Spektrum hier eine wirkliche Hürde ist, wenn es darum geht, das ganze System problemlos in Betrieb zu nehmen.

G-Lec_LED_Wall_UHF_Hölle_H

Um Herr der Lage zu werden, ist für die Frequenzkoordination die Unterstützung einer Software nötig. Außerdem sei hier angemerkt, dass sich die Qualitäts-, und damit einhergehend, die Preis-Unterschiede der Funksysteme sehr stark bemerkbar machen. Die Qualität eines Funksystems kann man meist proportional zur maximal möglichen Kanalzahl sehen. Können bei einem Einsteigersystem z. B. maximal 12 Kanäle simultan in einer Frequenzvariante betrieben werden, gibt es in der Profi-Liga Systeme, mit denen mehr als 560 Funkstrecken gleichzeitig störungsfrei genutzt werden können. Diese sehr hohe Zahl lässt sich allerdings nur mit digitalen Funkstrecken erreichen und ist im 2,4 GHz Bereich nicht zu realisieren. Für eine Kanalzahl ab dem zweistelligen Bereich sollte man auf andere Systeme im UHF-Bereich ausweichen, da hier wesentlich weniger Störungen von anderen Geräten zu erwarten sind.

Fazit

Der 2,4 GHz Bereich ist sowohl für den Anwender als auch für die Hersteller interessant, da er durch den WLAN Standard weltweit standardisiert und anmeldefrei ist. Durch die digitale Übertragungstechnik bekommt man hier die Möglichkeit, sehr einfach für den Einsteigerbereich Vorteile wie einen klaren Sound, sehr großen Dynamikbereich und die Gain Fernsteuerung zu bieten; und das ohne über eine Frequenzanmeldung oder Zulassung nachdenken zu müssen. Leider bringt dieser große Vorteil des offenen Bereichs auch den Nachteil mit sich, dass  sehr viele andere Standards dort auch angesiedelt sind und dieser Frequenzbereich zunehmend überfüllt ist, sodass es mehr und mehr Probleme gibt, wenn man mehrere Systeme gleichzeitig dort betreiben möchte. Das Problem liegt hier nicht an den Funksystem- oder den WLAN-Geräten selbst, sondern an der Tatsache, dass hier jeder funken kann und darf und man damit den Frequenzbereich mit Funkwellen überflutet. Hier wäre die Abhilfe, auf Systeme zurückzugreifen, die in anderen Frequenzbereichen arbeiten; es gibt noch andere Bereiche, in denen man anmeldefrei funken kann und darf.

Weitere Informationen hierzu findet Ihr unter:

Ein Kommentar zu “2,4 GHz, Funkmikrofone, Frequenzen, WLAN und trotzdem kein Empfang… Schwingungslehre für jedermann!

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